桥梁高强钢用药芯焊丝YCJ110K3—1的研制

孟庆润 吕奎清 王勇

Q620E桥梁钢具有高强、高韧性，焊接性良好等特点。随着钢板强韧性等级提高，对焊接材料也提出较高要求，为满足高强钢对焊接材料的要求，研制出与Q620E钢材相匹配的YCJ110K3—1药芯焊丝是十分必要的。

1. 焊丝配方设计

（1）渣系选择 焊丝采用以金红石为主，加上一定量石英和氧化镁的TiO2-SiO2-MgO渣系，该渣系特点是可以实现良好的全位置焊接，便于工程实际操作。采用镁铝等强氧化剂脱氧，降低焊缝中O、N含量。选用富氩气体（80%Ar+20%CO2）作为保护气体，增加合金过渡系数。通过加入稀土氧化物净化焊缝，提高焊缝金属的低温冲击韧性。

（2）合金系统选择 焊丝合金系为Mn-Si-Ti-B，同时加入稀土元素。通过控制Mn、Si、Ti、B在焊缝中含量，提高焊缝金属低温冲击韧性。当焊缝中wMn=0.8%~1.4%，wSi=0.3%~0.55%时，得到较多针状铁素体组织。低合金钢焊缝中Ti、B可以大幅提高焊缝韧性。

Ti与O的亲和力很大，焊缝中Ti是以微小颗粒氧化物形式（TiO）弥散分布于焊缝中，可以促进焊缝金属晶粒细化。这些小颗粒TiO还可以作为针状铁素体（AF）的形核质点，促进AF的生成。Ti在焊缝中保护B不被氧化，B可以作为原子偏聚于晶界，降低晶界能，抑制先共析铁素体的形核和长大，促进生成针状铁素体，改善焊缝组织韧性。焊缝中Ti-B最佳值为wTi=0.03%～0.05%，wB=0.0040%～0.0065%。

2. YCJ110K3—1药芯焊丝性能分析

（1）焊接参数 选用 Q620E钢板，板厚20mm，在焊接过程中采用小摆动的焊接手法，进行多层多道焊接。焊接参数如表1所示。

（2）力学性能 熔敷金属化学成分、力学性能、对接接头力学性能分别如表2~表4所示。

表1 焊接参数

表2 熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

表3 熔敷金属力学性能

表4 对接接头力学性能

（3）熔敷金属金相组织 焊缝组织中以针状铁素体为主，还含有部分细小的贝氏体和马氏体。大量针状铁素体保证了焊接接头具有较好的冲击韧性。

（4）熔敷金属扩散氢含量测定 按照GB／T3965—1995的要求，用水银法检测熔敷金属扩散氢含量。试验条件：电弧电压28V、焊接电流260A、环境温度24℃、环境湿度37%、保护气体为富氩。扩散氢含量测试结果如表5所示。由表5可知，扩散氢含量均值3.7mL/100g，检测结果＜5.0mL∕100g，达到了超低氢水平。这对于提高焊丝抗冷裂纹具有重要意义。

3. 焊接电弧工艺性分析

（1）试验参数 选取两种焊丝，分别为YCJ110K3—1和国外样品，焊丝直径均为1.2mm，采用时代公司产NB—500气体保护焊机。保护气体为富氩气体（80%Ar+20%CO2），预设电压为24.5V，气体流量为18L/min，干伸长为18mm。采用直流反接极性，用HA—XII—4E型德国汉诺威分析仪测试焊接电弧物理指数，焊接采样时间每次分别10s。

（2）电弧物理指数测试 表6为两种药芯焊丝电弧物理指数测试结果。熔滴短路周期变异系数ε（Tc）可以用来表征熔滴过渡周期特征信息，ε（Tc）值越小，表明焊接过程越稳定，熔滴尺寸细小。因此ε（Tc）可以作为评价药芯焊丝工艺性的判据。由表6可以发现，YCJ110K3—1焊丝ε（Tc）值低于样品焊丝，说明熔滴过渡稳定，工艺性良好。

（3）短路频率测试 采用汉诺威分析仪对两种药芯焊丝进行测试，分析仪设置最小短路时间T：1min=1 000μs，阈值电压UN=18V，短路时间组宽ΔT1=100μs，短路周期组宽ΔTc=500μs。图1是两种药芯焊丝短路时间T1频次叠加图。短路过渡形态所占比例较多时，短路频率较高。喷射过渡形态所占比例较多时，由于短路情况较少，总的短路频率较少。当焊丝为完全的喷射过渡时，短路频率基本接近于零。焊接时统计得到的短路出现的频率越少，说明喷射过渡的倾向越大，工艺性越好。

由图1看出，YCJ110K3—1焊丝在该参数下总的短路频率较少，说明其喷射过渡的倾向较大，工艺性较好。

（4）高速摄影 YCJ110 K3—1焊丝在28V/240A参数下高速摄影照片如图2所示。从图2可看出，熔滴过渡为喷射过渡，熔滴尺寸细小，熔滴过渡频率高，电弧稳定。

表5 扩散氢含量

表6 两种药芯焊丝电弧物理指数测试结果

图 1

图 2

4. 结语

YCJ110K3—1药芯焊丝具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好；工艺优良，焊丝扩散氢达到超低氢水平，抗裂性优良。该焊丝自投产后，用于Q620E桥梁钢的焊接，用户反应良好。

[1]张文钺．焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1996.